Anammox - Anammox
Anammox , zkratka pro o aerobní AMM oniové ox idation, globálně důležitým mikrobiální proces cyklu dusíku , která se koná v mnoha přírodního prostředí. Bakterie zprostředkující tento proces byly identifikovány v roce 1999 a byly velkým překvapením pro vědeckou komunitu. V anammox reakci, dusitany a amonné ionty se převedou přímo do diatomic dusík a vodu.
Bakterie, které provádějí proces anammoxu, jsou rody, které patří do bakteriálního kmene Planctomycetes . Bakterie anammoxu všechny obsahují jeden anammoxosom , oddělení lipidové dvouvrstvé membrány uvnitř cytoplazmy, ve kterém probíhá proces anammoxu. Anammoxosomové membrány jsou bohaté na lipidy ladderanu ; přítomnost těchto lipidů je v biologii dosud jedinečná.
„Anammox“ je také ochranná známka pro technologii odstraňování amoniaku na bázi anammoxu vyvinutou Delft University of Technology .
Pozadí procesu
V tomto biologickém procesu, který je komproporcionační reakcí, se dusitanové a amonné ionty převádějí přímo na dvojatomový dusík a vodu.
-
NH +
4 + NE -
2 → N
2 + 2 hodiny
2 O .
Celosvětově může být tento proces zodpovědný za 30–50% N
2 plyn produkovaný v oceánech. Jedná se tedy o hlavní propad fixního dusíku, a tak omezuje oceánskou primární produktivitu.
Bakterie, které provádějí proces anammoxu, patří do bakteriálního kmene Planctomycetes . V současné době bylo objeveno pět rodů anammoxu: Brocadia , Kuenenia , Anammoxoglobus , Jettenia (všechny druhy sladké vody) a Scalindua (mořské druhy). Bakterie anammox se vyznačují několika pozoruhodnými vlastnostmi:
- Všichni mají jeden anammoxosom, membránově vázaný oddíl uvnitř cytoplazmy, který je místem katabolismu anammoxu. Membrány těchto bakterií dále sestávají hlavně z lipidů ladderanu , které jsou dosud biologicky jedinečné .
- Zvláštní pozornost je věnována přeměně na hydrazin (běžně používaný jako vysokoenergetické palivo pro rakety a pro většinu živých organismů jedovatý) jako meziprodukt.
- Posledním pozoruhodným rysem organismu je extrémně pomalá rychlost růstu; čas zdvojnásobení je kdekoli od 7-22 dnů.
Bakterie anammox jsou zaměřeny na přeměnu svých substrátů na velmi nízké koncentrace; jinými slovy, mají velmi vysokou afinitu ke svým substrátům amonným a dusitanovým (sub-mikromolární rozmezí). Buňky Anammoxu jsou nabité proteiny typu cytochromu c (≈30% proteinového komplementu), včetně enzymů, které provádějí klíčové katabolické reakce procesu anammoxu, čímž jsou buňky pozoruhodně červené. Původně se zjistilo, že proces anammoxu probíhá pouze od 20 ° C do 43 ° C, ale v poslední době byl anammox pozorován při teplotách od 36 ° C do 52 ° C v horkých pramenech a 60 ° C až 85 ° C v hydrotermálních průduchech umístěných podél středoatlantického hřebene.
Dějiny
V roce 1932 bylo oznámeno, že plynný dusík byl generován neznámým mechanismem během fermentace v sedimentech jezera Mendota, Wisconsin, USA. V roce 1965 si FA Richards všiml, že většina amoniaku, který by měl být produkován během anaerobní remineralizace organických látek, není započítán. Protože pro tuto transformaci nebyla známa žádná biologická cesta, biologické anaerobní oxidaci amonia byla věnována malá pozornost.
V roce 1977 předpověděl Engelbert Broda na základě termodynamických výpočtů existenci dvou chemolithoautotrofních mikroorganismů schopných oxidovat amonium na plynný dusík. Předpokládalo se, že anaerobní oxidace amonia nebude proveditelná za předpokladu, že se jejich předchůdci pokusili a nepodařilo se jim vytvořit biologický základ pro tyto reakce. V 90. letech byla pozorování Arnolda Muldera v souladu s Richardovým návrhem. V jejich anoxickém denitrifikačním pilotním reaktoru zmizelo amonium na úkor dusitanu s jasnou produkcí dusíku. Reaktor používal jako přítok odpadní vodu z methanogenního pilotního reaktoru, který obsahoval amonium, sulfid a další sloučeniny, a dusičnan z nitrifikačního zařízení. Proces byl pojmenován „anammox“ a byl realizován tak, aby měl velký význam při odstraňování nežádoucího amonia.
Objev anammoxového procesu byl poprvé veřejně představen na 5. evropském kongresu o biotechnologiích . V polovině 90. let byl zveřejněn objev anammoxu v reaktoru s fluidním ložem. Bylo dosaženo maximální rychlosti odstraňování amoniaku 0,4 kg N / m 3 / d. Ukázalo se, že na každý spotřebovaný mol amonia je zapotřebí 0,6 mol dusičnanu, což vede k tvorbě 0,8 mol N
2 plyn.
V roce 1995 byla identifikována biologická povaha anammoxu. Experimenty s označováním pomocí 15
NH +
4 v kombinaci s 14
NE -
3 ukázaly, že 14-15 N
2 byl dominantním výrobkem, který tvořil 98,2% z celkového počtu označeného N
2 . Bylo zjištěno, že místo dusičnanu se v anammoxové reakci předpokládá jako oxidační činidlo amonia dusičnan. Na základě předchozí studie Strous et al. vypočítal stechiometrii anammoxového procesu pomocí hmotnostního vyvážení, což je široce přijímáno jinými skupinami. Později byly bakterie anammox identifikovány jako planctomycetes a první identifikovaný organismus anammox byl pojmenován Candidatus „ Brocadia anammoxidans “.
Před rokem 2002 se předpokládalo, že anammox je méně významným hráčem v cyklu dusíku v přírodních ekosystémech. V roce 2002 však bylo zjištěno, že anammox hraje důležitou roli v biologickém dusíkatém cyklu a představuje 24–67% z celkového N
2 produkce v kontinentálních šelfech, které byly studovány. Objev anammoxového procesu upravil koncept biologického cyklu dusíku, jak je znázorněno na obrázku 2.
Možné mechanismy reakce
Podle 15
V experimentech značení N provedených v roce 1997 je amonium biologicky oxidováno hydroxylaminem , pravděpodobně odvozeným od dusitanu , jako pravděpodobného akceptoru elektronů. Předpokládá se, že přeměna hydrazinu na plynný dusík je reakcí, která generuje elektronové ekvivalenty pro redukci dusitanu na hydroxylamin. Obecně jsou řešeny dva možné reakční mechanismy:
- Jeden mechanismus předpokládá, že komplex enzymu vázaného na membránu nejprve převádí amonium a hydroxylamin na hydrazin, poté následuje oxidace hydrazinu na plynný dusík v periplazmě. Současně se dusitany redukují na hydroxylamin v cytoplazmatickém místě stejného komplexu enzymů odpovědného za oxidaci hydrazinu s vnitřním transportem elektronů (obrázek 3a).
- Druhý mechanismus předpokládá následující: amonium a hydroxylamin se převádějí na hydrazin komplexem enzymů vázaných na membránu, hydrazin se oxiduje v periplazmě na plynný dusík a generované elektrony se přenášejí prostřednictvím transportního řetězce elektronů na enzym redukující dusitany v cytoplazmě kde se dusitany redukují na hydroxylamin (obrázek 3b).
Je třeba zkoumat, zda ke redukci dusitanů a oxidaci hydrazinu dochází na různých místech téhož enzymu, nebo jsou reakce katalyzovány různými enzymovými systémy spojenými prostřednictvím elektronového transportního řetězce. V mikrobiálním metabolismu dusíku je výskyt hydrazinu jako meziproduktu vzácný. Hydrazin byl navržen jako meziprodukt vázaný na enzym v dusíkové reakci. Nedávno Kartal a spolupracovníci pomocí podrobných molekulárních analýz a kombinací doplňkových metod zveřejnili přesvědčivé důkazy podporující tento druhý mechanismus. Kromě toho byl enzym produkující hydrazin, hydrazin syntáza vyčištěn a bylo prokázáno, že produkuje hydrazin z NO a amonia. Produkce hydrazinu z amonia a NO byla také podpořena rozlišením krystalové struktury enzymu hydrazin syntázy.
Možnou roli oxidu dusnatého (NO) nebo nitroxylu (HNO) v anammoxu navrhli Hooper et al. prostřednictvím kondenzace NO nebo HNO a amonia na enzym příbuzný rodině amoniummonooxygenázy. Vytvořený hydrazin nebo imin lze následně převést enzymem hydroxylaminoxidázou na plynný dusík a redukční ekvivalenty vznikající při reakci jsou nutné pro kombinaci NO nebo HNO a amonia nebo pro redukci dusitanu na NO. Environmentální genomická analýza druhu Candidatus Kuenenia stuttgartiensis prostřednictvím mírně odlišného a komplementárního mechanismu metabolismu naznačila, že NO je meziprodukt místo hydroxylaminu (obrázek 4). Tato hypotéza však také souhlasila s tím, že hydrazin byl důležitým meziproduktem v procesu. V této cestě (obrázek 4) existují dva enzymy jedinečné pro bakterie anammox: hydrazin syntáza (hzs) a hydrazin dehydrogenáza (hdh). HZS produkuje hydrazin z oxidu dusnatého a amonia a HDH přenáší elektrony z hydrazinu na ferredoxin . Bylo zjištěno několik nových genů, jako jsou některé známé biosyntézy mastných kyselin a geny pro radikální enzymy S-adenosylmethioninu, obsahující domény zapojené do přenosu elektronů a katalýzy. Mikroorganismy Anammox mohou také přímo spojit redukci NO s oxidací amoniaku, aniž by bylo nutné dodávat dusitany.
Další, dosud neprozkoumaný, reakční mechanismus zahrnuje anaerobní oxidaci amonia na anodách bioelektrických systémů. Takovými systémy mohou být mikrobiální palivové články nebo mikrobiální elektrolýzní články . V nepřítomnosti rozpuštěného kyslíku, dusitan, nebo dusičnanu, mikroby žijící v anodovém prostoru jsou schopny oxidovat amonného dusného plynu (N 2 ), stejně jako v klasickém anammox procesu. Současně uvolňují uvolněné elektrony na anodu a produkují elektrický proud. Tento elektrický proud lze použít buď přímo v režimu palivových článků, nebo pro výrobu vodíku a metanu v režimu elektrolýzy . I když není jasný žádný mechanismus reakce, existuje jedna hypotéza, že dusitany , dusičnany nebo oxidy dusíku hrají roli meziproduktů. Jelikož však proces probíhá při velmi nízkém elektrochemickém potenciálu , zdá se, že jsou možné i jiné spekulativnější reakční mechanismy.
Druhová rozmanitost
Doposud bylo popsáno deset druhů anammoxů, včetně sedmi, které jsou dostupné v laboratorních obohacovacích kulturách. Všechny mají taxonomický status Candidatus , protože žádný nebyl získán jako klasická čistá kultura. Známé druhy jsou rozděleny do pěti rodů:
- Kuenenia , jeden druh: Kuenenia stuttgartiensis .
- Brocadia , tři druhy: B. anammoxidans , B. fulgida a B. sinica .
- Anammoxoglobus , jeden druh: A. propionicus .
- Jettenia , jeden druh: J. asiatica .
- Scalindua , čtyři druhy: S. brodae , S. sorokinii , S. wagneri a S. profunda .
Zástupci prvních čtyř rodů byli obohaceni o kal z čistíren odpadních vod; K. stuttgartiensis , B. anammoxidans , B. fulgida , a A. propionicus dokonce získány ze stejného inokula. Scalindua dominuje mořskému prostředí, ale vyskytuje se také v některých sladkovodních ekosystémech a čistírnách odpadních vod.
Společně těchto 10 druhů pravděpodobně představuje jen nepatrný zlomek biologické rozmanitosti anammoxu. Například v současné době existuje více než 2000 16S rRNA genových sekvencí přidružených k bakteriím anammox, které byly uloženy v Genbank ( https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/ ), což představuje přehlížené kontinuum druhů, poddruhů a kmeny, z nichž každý zřejmě našel své specifické místo v široké škále stanovišť, kde se vyskytují bakterie anammox. Mikrodiverzita druhů je obzvláště působivá pro mořského zástupce Scalindua . Otázkou, kterou zbývá prozkoumat, je, které faktory prostředí určují druhovou diferenciaci mezi bakteriemi anammox.
Sekvenční identity anammoxových 16S rRNA genů se pohybují od 87 do 99% a fylogenetická analýza je umisťuje do kmene Planctomycetes , které spolu s Verrucomicrobia a Chlamydiae tvoří PVC nadkmen . V Planctomycetes se bakterie anammoxu hluboce větví jako monofyletický clade. Jejich fylogenetická poloha spolu se širokou škálou specifických fyziologických, buněčných a molekulárních vlastností dává bakteriím anammox jejich vlastní řád Brocadiales .
Aplikace při čištění odpadních vod
Aplikace procesu anammox spočívá v odstranění amoniaku při čištění odpadních vod a skládá se ze dvou samostatných procesů. Prvním krokem je částečná nitrifikace (nitritace) poloviny amonia na dusitany bakteriemi oxidujícími amoniak :
- 2 NH +
4 + 3 O.
2 → 2 NO -
2 + 4 hodiny +
+ 2 H
2 Ó
Výsledný amonium a dusitany se převádějí v procesu anammoxu na plynný dusík a ~ 15% dusičnanů (není zobrazeno) bakteriemi anammox:
-
NH +
4 + NE -
2 → N
2 + 2 H
2 Ó
Oba procesy mohou probíhat v 1 reaktoru, kde dva cechy bakterií tvoří kompaktní granule.
Pro obohacení organismů anammoxu se jeví jako obzvláště vhodný granulovaný systém biomasy nebo biofilmu, ve kterém lze zajistit nezbytné stáří kalu delší než 20 dnů. Možnými reaktory jsou sekvenční dávkové reaktory (SBR), reaktory s pohyblivým ložem nebo reaktory s plynovou smyčkou . Snížení nákladů ve srovnání s konvenčním odstraňováním dusíku je značné; technika je stále mladá, ale osvědčená v několika instalacích s plným rozsahem.
První reaktor v plném rozsahu určený k aplikaci bakterií anammoxu byl postaven v Nizozemsku v roce 2002. V jiných čistírnách odpadních vod, jako je ta v Německu (Hattingen), je aktivita anammoxu shodou okolností pozorována, ačkoli pro tento účel nebyla postavena. Od roku 2006 existují v Nizozemsku tři úplné procesy: jeden v čistírně komunálních odpadních vod (v Rotterdamu ) a dva v průmyslových odpadních vodách. Jedna je koželužna, druhá závod na zpracování brambor.
Výhody
Konvenční odstraňování dusíku z odpadních vod bohatých na amonium se provádí ve dvou samostatných krocích: nitrifikace, která je zprostředkována aerobními bakteriemi oxidujícími amoniak a dusitany a denitrifikace prováděná denitrifikátory, které redukují dusičnany na N
2 se vstupem vhodných dárců elektronů. Provzdušňování a vstup organických substrátů (obvykle methanolu) ukazují, že tyto dva procesy jsou:
- Vysoce náročné na energii.
- Souvisí s produkcí přebytečného kalu.
- Produkujte významné množství skleníkových plynů, jako je CO
2 a N
2 O a poškozující ozon NO.
Protože bakterie anammox převádějí amonium a dusitany přímo na N
2 anaerobně tento proces nevyžaduje provzdušňování a další dárce elektronů. Přesto je pro výrobu dusitanu bakteriemi oxidujícími amoniak stále zapotřebí kyslík. V systémech parciální nitritace / anammoxu je však potřeba kyslíku značně snížena, protože pouze polovina amoniaku musí být oxidována na dusitany místo úplné přeměny na dusičnany. Autotrofní povaha bakterií anammox a bakterií oxidujících amoniak zaručuje nízký výtěžek a tím menší produkci kalu. Kromě toho bakterie anammox snadno tvoří stabilní samoagregovaný biofilm (granule), který umožňuje spolehlivý provoz kompaktních systémů charakterizovaných vysokou koncentrací biomasy a rychlostí konverze až 5–10 kg N m −3 . Celkově se ukázalo, že efektivní aplikace procesu anammoxu při čištění odpadních vod má za následek snížení nákladů až o 60% a také nižší CO
2 emise.
Nevýhody
Čas zdvojnásobení je pomalý, mezi 10 dny a 2 týdny. To ztěžuje pěstování dostatečného množství kalu pro reaktor na čištění odpadních vod. Také doba zotavení po ztrátě kalu náhodně je delší než v konvenčních systémech pro odstraňování dusíku. Na druhou stranu je tato pomalá míra růstu výhodou díky snížení přebytečného kalu, který je třeba odstraňovat a zpracovávat. V závislosti na konkrétním druhu je optimální úroveň pH 8. Proto může být nutné upravit pH odpadní vody přidáním žíraviny.